明桥面重组竹轨枕材性试验与受力性能研究.pdf

第 63 卷 第 7 期2023 年7 月铁道建筑Railway EngineeringVol.63 No.7July 2023文章编号：10031995（2023）07002406明桥面重组竹轨枕材性试验与受力性能研究王达1，2 和家名1 谭本坤11.长沙理工大学 土木工程学院，长沙 410114；2.中南林业科技大学 土木工程学院，长沙 410004摘要 重组竹轨枕是一种以高强竹纤维束、基体组织和树脂胶体为主要成分，通过将竹纤维束干燥改性、施胶、组坯成型后热压而成的新型生物质轨枕。为探究重组竹轨枕在明桥面上替换普通轨枕材料的适用性与可行性，本文结合试验结果对比重组竹与常规轨枕材料力学指标，通过Abaqus软件对由5根重组竹轨枕组成的宏观轨排模型进行受力分析，研究截面尺寸与轨枕间距变化对轨道结构关键受力指标的影响。结果表明：重组竹材料强度指标均远优于木枕材料，具有较高的强重比，弹性模量介于木轨枕与混凝土轨枕之间；在满足明桥面使用要求的前提下，重组竹轨枕的应力储备有较大富余，截面尺寸可调整空间大。综合考虑轨枕承载力要求、施工安装空间等因素，推荐重组竹轨枕宽度取200 280 mm，厚度取200 260 mm，轨枕间距优选0.6 m，长度符合构造要求即可。关键词 铁路桥梁；重组竹；数值模拟；轨枕；材性试验；结构设计；几何尺寸中图分类号 U448.13 文献标识码 A DOI：10.3969/j.issn.10031995.2023.07.05引用格式：王达，和家名，谭本坤.明桥面重组竹轨枕材性试验与受力性能研究 J.铁道建筑，2023，63（7）：2429.由于实木造价低，弹性好，易于处理和更换，且不需要复杂的装配设备，我国钢桁梁桥明桥面轨道上大量使用木枕。然而，优质木材越来越稀缺，在高速重载铁路的普及下木枕更换周期越来越短，损伤破损严重。针对木枕更换的缺口，国内以中国林业科学研究院为代表的高校对重组竹此类新型环境友好型材料的各项物理性能进行了相应研究1-3，发现实木材料力学性能有明显的优势，还有学者基于重组竹性能对替代铁路轨枕的可行性进行了初步探讨4-5。重组竹是一种通过物理工艺脱离原竹非细胞物质再热压重组的绿色生物质复合材料，是我国最先自主研发、拥有自主知识产权且有完整产业链的竹材产品。它突破了原木材料取材的尺寸限制，轻质高强，力学性质优良，抗弯强重比是Q235钢的5.47倍。竹材作为一种可再生资源，35年即可成材，原材料利用率高达90%。因其生长周期短，更新能力快，可持续发展潜力巨大。由重组竹制成的轨枕叠加先进防腐、紧固技术，理论上可以有效满足当下以及未来轨道建设中对轨枕可持续性、高强耐久性的需求。重组竹轨枕作为短期之内木枕的替代产品、国外塑料复合轨枕的竞争产品，应用于铁路轨道结构中将具备较其他轨枕更为安全、经济、可持续的优势。本文参考其他新型轨枕初期应用研究及相关工程实际案例6-9，初拟某钢桁梁桥明桥面轨道的铺设情况，在相关试验方法的基础上10-11，通过试验得到计算所需工程常数，通过 ABAQUS 软件建立模型分析在C70敞车运营模式下重组竹轨排模型的受力行为，结合规范研究轨枕结构各参数的合理取值范围。1 工程概况 1.1钢桁梁桥原有轨道铺设情况参考文献 12 钢桁梁桥，钢纵梁宽260 mm，原木枕尺寸3 000 mm（长）220 mm（宽）260 mm（高），底槽尺寸260 mm（长）220 mm（宽）20 mm（高），轨枕中心距420 mm，角钢处最大轨枕中心距480 mm。轨枕与钢纵梁之间采用钩头道钉连接，基本轨为60 kg/m钢轨，护轨为50 kg/m钢轨。基本轨与轨枕之间采用K形分开式扣件连接，由4个螺纹道钉连接钢轨垫板与轨枕，护轨采用道钉固定于木枕。1.2重组竹轨枕结构配件设计为提高轨道结构强度和使用寿命，将木枕替换为重组竹复合轨枕（图1）13。结构设计如下：由于重组竹轨枕不设承轨槽，且没有预埋铁座支挡，故扣件系收稿日期：20221219；修回日期：20230305第一作者：王达(1980 )，男，教授，博士。E-mail：第 7 期王达等：明桥面重组竹轨枕材性试验与受力性能研究统采用铁垫板挡肩方式；基本轨扣件系统采用小阻力扣件形式（WJ2、WJ7型，DT2、DT3型扣件），在不降低扣件基本性能的前提下，利用扣件可调阻力的功能，使线路纵向阻力达到既能保障桥上无缝线路安全稳定，又能减小桥梁墩台承受无缝线路纵向力的设计要求。其他轨道结构零部件保持原有木枕形式，但需采用相应养护维修措施对相关零部件进行养护。2 重组竹轨枕的原材料力学测试 为获取重组竹轨枕相应力学参数，采购湖南桃花江竹材科技有限公司的重组竹进行密度、含水率、抗拉性能、抗压性能、抗剪性能及弹性模量、泊松比等基本材料性能试验。重组竹试样的密度测试值为1.105 g/cm3，含水率为5.22%。试验设计步骤及尺寸参照GB/T 19282009 木材物理力学性质试验方法进行设计10，共7组试验。控制试样在1.5 2.0 min破坏，共计105个试样。试验设备采用SANSCMT5105万能试验机、游标卡尺及DH3821数据采集仪，见图2。2.1抗拉性能制作了顺纹、横纹抗拉各 15个试样进行拉伸试验，测量其抗拉强度。顺纹抗拉强度试样尺寸为370 mm（长）15 mm（宽）4 mm（高），长度为顺纹方向；横纹试样尺寸为150 mm（长）20 mm（宽）6 mm（高），长度为横纹方向，顺纹加载速度2 mm/min，横纹加载速度1 mm/min。测试现场见图3。2.2抗压性能制作尺寸为30 mm（长）20 mm（宽）20 mm（高）的顺纹、横纹抗压试样各15个，加载速度为3.5 mm/min，测量不同纹路方向的抗压强度。测试现场见图4。2.3抗剪性能参照 GB/T 19282009 制作 15 个带有凹口的块状受剪试件进行抗剪强度试验，加载速度2.5 mm/min。试件尺寸及测试现场见图5。2.4弹性模量及泊松比为获取弹性常数，制作尺寸为60 mm（长）20 mm（宽）20 mm（高）的顺纹、横纹抗压弹性模量各15个试件进行测试。加载方向分为顺纹与横纹方向，参考文献 14 使用顺纹、横纹压缩极限荷载的 10%30%作为弹性加载区间，同时记录试件两面的应变，循环加载6次，从6组数据中取3组相近循环计算的弹性模量和泊松比的平均值作为重组竹的抗压弹性模量和泊松比。弹性模量及泊松比测试试验见图6。2.5基本力学性能试验结果经试验测得该批次所使用的重组竹材料基本力学性能参数，见表1。与其他常见轨枕材料力学指标对比见表2。由表1可知，重组竹顺纹方向的性能远优于横纹方向，说明只要能充分利用竹纤维束强度，力图1一次整体成型竹轨枕图2试验设备图3拉伸试验试件与加载图5剪切试验试件与加载图4压缩试验试件与加载图6弹性模量及泊松比测试试验25铁道建筑第 63 卷学指标就能显著提升。由表2可知，与其他实木、混凝土材料相比，重组竹材料在压缩、拉伸、剪切强度上有较大优势，弹性模量介于木轨枕与混凝土轨枕弹性模量之间，体现了重组竹具有高强度、高韧性的特点。3 计算模型与参数 3.1计算模型基于试验得到的重组竹力学参数，通过Abaqus建立明桥面轮-轨-重组竹轨枕-梁的轨排有限元模型（图7），对其替换原木枕的可行性进行研究。钢轨、铁垫板与钢纵梁采用C3D8R单元，重组竹轨枕作为各向异性材料采用C3D20R单元；钢轨与轨枕垫板的接触面采用笛卡尔连接单元模拟，通过定义连接器之间的弹性刚度建立线性弹簧来模拟扣件及垫板之间的真实作用。轨枕中心距取0.6 m，钢纵梁顶面与轨枕底部承轨槽设置表面对表面接触。本文的荷载形式仅为车轮垂向准静态荷载，车轴由MPC梁约束进行模拟，沿钢轨直线运动。为防止钢轨与钢纵梁计算异常翻转，在钢轨两端面对其横向与纵向进行相应约束，在钢纵梁两端面设置全约束。车轮设为刚体，通过相互作用模块定义其与轨枕之间的接触关系，给予车轮一个向前的转动角度进行车轮的前进模拟。3.2计算参数1）轨道荷载参考目前主流列车轴重，货运列车以C70敞车为主，轴重23.45 t；根据TB 100822017 铁路轨道设计规范19的规定，将客货共线铁路的线路等级分为、级，线路速度等级为：120、160、200 km/h。当列车速度达到200 km/h时，动轮载Pd计算式20为Pd=0.5Pj(1+)(1+i)(1+2)（1）式中：Pj为静轮载；、i、2均为速度系数（表3）；为偏载系数，本文取0.15。将各参数代入式（1）得到Pd=290.4 kN。考虑钢轨结构自身缺陷等原因，有产生动力附加值的可能。按最不利情况考虑，计算轴重取300 kN。2）模型尺寸轮-轨-枕-梁轨排有限元模型尺寸参数见表 4。将重组竹在该模型中简化为宏观各向同性的材料剪表2重组竹与常见轨枕材料力学性能对比MPa材料类型湖南重组竹落叶松15杉木15-16花旗松17云杉15树脂合成轨枕18C30混凝土Q235钢顺纹抗压强度78.6951.6537.2445.4737.834020.10235横纹抗压强度47.774.212.255.204.101520.10235顺纹抗剪强度39.178.344.757.199.20顺纹抗拉强度121.31128.7870.9583.7892.121002.01370 500横纹抗拉强度9.50353535152.01370 500弹性模量17 326.711 0008 180 9 5007 29611 0005 02030 000206 000表1重组竹力学试验结果测试项目顺纹抗拉强度顺纹抗压强度横纹抗拉强度横纹抗压强度顺纹剪切强度长度方向弹性模量宽度方向弹性模量试件数量/个15151515151515最大值/MPa158.1581.7612.5762.7044.1019 268.884 874.19最小值/MPa92.9675.405.9235.3435.7614 784.233 544.16平均值/MPa121.3178.699.5047.7739.1717 326.714 196.79标准差/MPa17.661.9321.9710.462.431 279.58378.71变异系数0.1460.0250.2070.2320.0620.0740.090图7轮-轨-枕-纵梁有限元计算模型表3速度系数速度系数i2速度/(kmh-1)v 120120 v 160160 v 200速度差v1=v-120v2=v-160牵引分级系数0.6v/1000.3v1/1000.45v2/10026第 7 期王达等：明桥面重组竹轨枕材性试验与受力性能研究切模量参考 GB 500052017 木结构设计标准21中剪切模量与顺纹弹性模量之间的比例关系近似取值，G12、G23分别为 E1、E2的 6.0%、1.8%，相关参数见表 5。本文主要研究重组竹轨枕在准静态竖向荷载下的受力变形情况，因此将钢纵梁设为刚性，忽略其 变 形，钢 轨、钢纵梁和铁垫板的弹性模量均取206 GPa，泊松 比 为 0.3，密 度 为 7850 kg/m3。扣 件静刚度取 50 kN/mm12。4 重组竹轨枕参数分析 4.1重组竹轨枕宽度为研究重组竹轨枕宽度对轨道结构的影响，厚度取220 mm，保持其他参数不变，计算在准静态列车荷载作用下轨枕宽度取200 300 mm时轨道结构应力、位移的最大值。计算结果见图8。由图8可知：随着重组竹轨枕宽度的增加，截面惯性矩增大，抗弯刚度随之增加，进而轨道结构整体刚度增加。轨枕垂向位移、轨距变化量和钢轨垂向位移均有不同程度的减小，其中轨枕垂向位移与轨距变化量减小幅度较大，分别减小了55.74%、34.26%，钢轨垂向位移仅减小 13.23%。在轨枕宽度为 200 300 mm时，轨枕最大压、拉应力与轨底应力均有不同程度的减小，分别减小了41.13%、46.87%、3.76%。综上，轨底应力与钢轨垂向位移对轨枕宽度的变化敏感性较低，较宽的轨枕对轨枕应力和位移的减小更加有利。重组竹力学性能较好，宽度取200 300 mm可满足轨道结构承载要求。考虑到钢桁梁明桥面上轨枕的施工空间、扣件尺寸以及增加宽度与其受力收益匹配的经济性要求，不可无限制增加轨枕宽度。因此，重组竹轨枕最佳宽度为220 280 mm，具体取值依据钢纵梁中心间距和适配扣件尺寸确定。4.2重组竹轨枕厚度为研究重组竹轨枕厚度对轨道结构的影响，宽度取240 mm，保持其他参数固定，计算在准静态列车荷载作用下轨枕厚度取140 300 mm时轨道结构应力、位移的最大值。计算结果见图9。由图9可知：重组竹轨枕厚度与轨枕垂向位移、轨距变化量和钢轨垂向位移负相关；在轨枕厚度取140 260 mm时每增加40 mm轨枕垂向位移、轨距变化量和钢轨垂向位移的平均减少率分别为 32.46%、25.10%、4.41%；轨枕厚度取 260 300 mm 时的减少率为14.02%、13.85%、5.80%。轨枕厚度大于260 mm时，轨枕垂向位移与轨距变化量减少率相近，表明轨枕的弯曲变形是导致轨距变化量变化的主要原因之一，推测若继续增大轨枕厚度，对轨道结构位移的影响将减小。重组竹轨枕厚度从140 mm增至300 mm时，轨枕最大压应力、拉应力，轨底应力分别减少了68.31%，56.58%，15.78%，轨枕厚度对轨枕最大压、拉应力的影响高于对轨底应力的影响。重组竹轨枕模型应力云图见图10。可知：轨枕应力主要发生在轨枕钢轨接触面以及底槽内侧面，因轨枕支承在顺轨平面上，与钢轨定位处比较近；底槽所受的应力类型主要为压剪应力，最大值为9.034 MPa，图10重组竹轨枕模型应力云图（单位：MPa）表4模型尺寸项目铁垫板轨枕底槽纵梁纵梁中心距长/mm3653 000260宽/mm2002602602602 020高/mm2022020表5重组竹工程常数E1/MPa17 326.7E2/MPa4 196.8120.397230.146G12/MPa1 039.6G23/MPa755.4注：E1、E2分别为重组竹在顺纹、横纹方向上的弹性模量；12、13分别为重组竹在顺纹、横纹方向上的泊松比；G12、G23分别为重组竹在顺纹、横纹平面上的剪切模量。图8不同轨枕宽度下位移和应力变化曲线图9不同轨枕厚度下位移和应力变化曲线27铁道建筑第 63 卷与重组竹极限抗压强度相比，其应力储备有较大富余。为减小轨道结构应力和位移，重组竹轨枕厚度越大越好，但轨枕厚度过大易产生轨枕侧翻、线路超高等问题，过小会导致轨道结构整体刚度下降。综上，重组竹轨枕最佳宽度取200 260 mm。4.3重组竹轨枕间距为研究重组竹轨枕间距对轨道结构的影响，宽度、厚度分别取240、220 mm，保持其他参数不变，计算轨枕间距取0.5 0.8 m时轨道结构的应力、位移最大值。计算结果见图11。由图11可知：轨枕间距从0.5 m增至0.6 m时，轨枕垂向位移、轨距变化量与钢轨垂向位移分别增加了 12.36%、16.39%、4.81%；从 0.6 m 增至 0.7 m 时，分别增加了10.41%、9.34%、8.42%；从0.7 m增加至0.8 m时，分别增加了41.29%、23.88%、15.7%。轨枕间距为0.5 0.7 m时，轨道结构位移的增长速率保持较高的一致性，轨枕间距为0.7 0.8 m时轨枕垂向位移增长加快。轨枕间距与轨枕最大压应力、拉应力，轨底应力正相关。轨枕间距由 0.5 m增至 0.8 m时，轨枕最大压、拉应力分别增加了92.87%、47.17%，轨枕间距为0.7 m时是轨枕应力增幅的转折点。原因是轨枕间距增大，在一定程度上减弱了轨枕之间共同受力的能力，轨道结构整体性下降，钢轨受弯加剧得不到良好支撑，导致轨距、下挠增加，但轨枕间距增加对轨底应力的影响甚微，增幅仅7.77%。从结构受力角度考虑，重组竹轨枕间距越小越有利；从经济性角度考虑，在结构受力的容许范围内，尽可能选择较大的轨枕间距可以节省成本。综上，轨枕间距为0.7 m时是轨排模型各受力指标的增长率变化点，建议将重组竹轨枕间距控制在0.7 m以内。4.4重组竹轨枕长度当重组竹轨枕截面尺寸、扣件刚度、轨枕间距一定时，改变轨枕长度对该模型的力学性能没有影响。原因在于轨枕结构受力主要分配在两纵梁支承之间，两端悬臂伸出长短变化对轨枕的结构受力影响极其有限，故在保证轨枕支承间距、截面尺寸合理和满足扣件、螺栓等轨道零部件安装空间的基础上，采用较短的轨枕长度可以得到较好的经济效果。5 结论 1）重组竹材料基本力学性能优异，与其他木材、混凝土等主流轨枕材料相比，重组竹材料具有良好的强重比，抗压、抗拉、抗剪能力均有较大优势。2）在准静态列车荷载作用下，重组竹轨枕的尺寸与轨枕垂向位移、应力以及轨距变化量负相关。随着轨枕宽度、厚度的增加而减少到一定限值时，轨枕垂向位移、应力和轨距所受影响将减小。3）轨枕宽度受施工、扣件安装空间和经济性影响，最优值为220 280 mm。厚度的增加可以减弱底槽的应力集中现象，但过高易引起轨枕侧翻、线路超高等问题，考虑轨距动态变化量等指标，轨枕厚度最优值为200 260 mm。4）在准静态列车荷载作用下，轨枕间距与重组竹轨枕轨道结构位移、应力呈正相关关系，且轨道结构位移的增加速率有较高的一致性。轨枕间距为0.7 m时是轨排模型各受力指标增长速率的变化点，建议在0.7 m之内取值。参考文献1 上官蔚蔚.重组竹物理力学性质基础研究 D.北京：中国林业科学研究院，2015.2 HUANG D S，BIAN Y L，ZHOY A P，et al.Experimental Study on Stress-Strain Relationships and Failure 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the open bridge deck，the strength of materials indexes of recombined bamboo sleepers and conventional sleepers was compared based on the test results.A macro rail panel model composed of five recombined bamboo sleepers was subjected to stress analysis by using Abaqus software，and the influence of changes in cross-sectional size and sleeper spacing on key stress indicators of the track structure was studied.The results show that the strength indicators of the recombined bamboo material are far superior to those of the wooden sleeper material，with a high strength to weight ratio and an elastic modulus between the wooden sleeper and the concrete sleeper.On the premise of meeting the requirements for the use of the open bridge deck，the stress reserve of the recombined bamboo sleepers is relatively large，and the cross-sectional size can be adjusted with a large space.Taking into account factors such as the bearing capacity requirements of the sleepers and the construction and installation space，it is recommended to choose a width of 200 280 mm and a thickness of 200 260 mm for the recombined bamboo sleepers.The optimal spacing between sleepers is 0.6 m，and the length meets the structural requirements.Key words railway bridge；recombined bamboo；numerical simulation；sleeper；material property test；structural design；geometric dimensionCitation format：WANG Da，HE Jiaming，TAN Benkun.Study on Material Property Test and Mechanical Performance of Recombined Bamboo Sleepers on Open Bridge Deck J.Railway Engineering，2023，63（7）：2429.（编辑：郑冰 校对：苗蕾）29